JP2016517361A - Slicing and / or texturing for 3D printing - Google Patents

Slicing and / or texturing for 3D printing Download PDF

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Abstract

3Dプリンタにより対応する物体をプリントするために、3次元モデルをスライスするための方法が、この場合、スライス平面内の予め規定された作業域の各領域について、物体の包絡面を多角形として獲得するステップと、前記それぞれのピクセルの上に位置決めされる前記包絡面の最も近い多角形を識別するステップと、多角形が識別されない場合、対応する領域を非プリント領域としてマーキングするステップと、多角形上の前記最も近いものの方向ベクトルがZ方向に正の成分を有する場合、前記対応する領域をモデル領域としてマーキングするステップと、前記多角形の方向ベクトルがZ方向に負の成分を有する場合、領域を支持領域としてマーキングするステップと、それに応じてプリントするステップとを含む。上の手順の利点は、スライシングおよび追加でテクスチャマッピングがグラフィックカードまたはGPU上で効率的に実行できることである。A method for slicing a 3D model to print the corresponding object with a 3D printer, in this case, obtaining the object envelope as a polygon for each region of the predefined work area in the slice plane Identifying the closest polygon of the envelope surface positioned over each of the pixels, marking a corresponding area as a non-print area if no polygon is identified, and a polygon If the nearest direction vector above has a positive component in the Z direction, marking the corresponding region as a model region, and if the polygon direction vector has a negative component in the Z direction, a region Marking as a support area and printing accordingly. The advantage of the above procedure is that slicing and additionally texture mapping can be performed efficiently on the graphics card or GPU.

Description

関連出願
本願は、その全体を参照することによりその内容が本明細書に組み込まれる、2013年3月14日に出願された米国仮特許出願第61/782,142号の、米国特許法第119条(e)の下の優先権の利益を主張する。
This application is incorporated by reference in its entirety, and is hereby incorporated by reference in its entirety in US Provisional Patent Application No. 61 / 782,142, filed March 14, 2013, which is incorporated herein by reference. Claim priority interests under e).

本発明は、そのいくつかの実施形態では、3次元プリンティングのためのスライシングを実行する様態に関し、より詳細には、それだけには限らないが、グラフィックカードまたはグラフィカル処理ユニット(GPU)上に実現されるのに特に適した様態に関する。   The present invention, in some embodiments thereof, relates to aspects of performing slicing for 3D printing, and more particularly, but not limited to, implemented on a graphics card or graphical processing unit (GPU). It relates to a mode that is particularly suitable for.

3次元(3D)インクジェットプリンティングは、その最も広義の意味で、付加的製作の様式であり、そこでは、射出ノズルを通して絞り出すことができる任意の材料が、計画またはモデルに従って、層状に付着されて、3次元物体を形成する。   Three-dimensional (3D) inkjet printing, in its broadest sense, is a form of additional fabrication in which any material that can be squeezed through an injection nozzle is deposited in layers according to a plan or model, Form a 3D object.

モデルは、いくつかの様態のうちの任意の1つで、たとえば、コピーすることが求められる元の生成物の3D測定を実行することによって、獲得することができる。あるいは、コンピュータ支援設計(CAD)パッケージからの3D設計を使用することができる。さらなる代替として、3D設計は、好適なグラフィックパッケージを使用して、ユーザによりその場で生成することができる。   The model can be obtained in any one of several ways, for example, by performing a 3D measurement of the original product that is sought to be copied. Alternatively, a 3D design from a computer aided design (CAD) package can be used. As a further alternative, the 3D design can be generated on the fly by the user using a suitable graphics package.

3Dモデルは、通常、その最終形態で製造することができない。というのは、射出されると各層は溶融され、通常、その製造期間に少なくとも部分的に支持される必要があるからである。したがって、後で除去できる支持構造が、通常設けられる。物体用の任意のプリント計画は、そのような支持構造のプリントを含むべきであり、プリントに続き、容易に除去可能な支持構造を作る様態を組み込む場合がある。   A 3D model cannot usually be manufactured in its final form. This is because, when injected, each layer melts and usually needs to be at least partially supported during its production. Therefore, a support structure that can be removed later is usually provided. Any print plan for an object should include a print of such a support structure and may incorporate aspects that follow the print to create a support structure that is easily removable.

さらに、3Dモデルは、色およびテクスチャを必要とする場合があり、テクスチャは、単純に平坦なパターンである場合があり、またはある程度までモデルの深さに延びる場合がある、様々な種類の表面の特徴である。同様に、支持構造は、特に表面において、たとえば支持構造を容易に除去可能とするために、支持構造に付着されるテクスチャを有する場合がある。   In addition, 3D models may require colors and textures, and textures may be simply flat patterns or extend to the depth of the model to some extent for various types of surfaces. It is a feature. Similarly, the support structure may have a texture that is attached to the support structure, particularly at the surface, for example, to allow the support structure to be easily removed.

3Dモデルは、様々な位置に様々な材料をさらに含む場合がある。すなわち、防水加工が外面の周りに必要となる場合がある、または軟らかい内部が硬い外殻を必要とする場合がある、などである。   The 3D model may further include different materials at different locations. That is, waterproofing may be required around the outer surface, or the soft interior may require a hard outer shell.

3Dモデルは、プリントヘッドを動作させるために、命令に変換される必要がある。典型的には、モデルは、スライスに切断され、次いで各スライスの各ピクセルは、テクスチャファイルにより修正される。同様に、各個別ピクセルは、モデルの包絡面に対して試験されて、ピクセルが包絡面の内側にありモデルの部分であるのか、包絡面の下にありしたがって支持体の部分であるのか、または包絡面の外側にありしたがってプリントされないのかを決定する。ピクセルは、次いで別個のテクスチャファイルから、テクスチャ用に修正される。次いで、命令が生成されて、プリンタヘッドを動作させ、スライスをプリントすることができる。   The 3D model needs to be converted into instructions in order to operate the printhead. Typically, the model is cut into slices and then each pixel in each slice is modified by a texture file. Similarly, each individual pixel is tested against the model's envelope surface to determine if the pixel is inside the envelope surface and part of the model, or below the envelope surface and thus part of the support, or Determine if it is outside the envelope and therefore not printed. The pixels are then modified for the texture from a separate texture file. Instructions can then be generated to operate the printer head and print the slice.

すなわち、スライスはピクセル毎に生成され、各ピクセルが別個に記憶されるので、かなりのメモリを必要とする。計算は、典型的には、コンピュータの中央処理装置(CPU)部分上で実行され、またはGPUもしくは他のグラフィックハードウェア上のカスタマイズされた計算を使用することができ、カスタマイズされた計算は、複雑で非常に長い。   That is, slices are generated for each pixel, and each pixel is stored separately, requiring significant memory. The calculations are typically performed on the central processing unit (CPU) portion of the computer, or customized calculations on the GPU or other graphics hardware can be used, and the customized calculations are complex And very long.

グラフィック処理は、典型的には別個のグラフィックカード中に設けられるGPUの形態で、ほとんどのコンピュータ上で一般的に利用可能である。グラフィックカードは、個別ピクセルの計算をバイパスする様態で、グラフィック処理用に最適化されるパイプラインを用いて設計される。しかし、グラフィックカードは3Dイメージの2D投影を提供するように設計されているので、グラフィックカードは、3Dモデルから3Dプリンティング命令を生成するように直接には使用されない。グラフィックカード上の3D処理は、典型的には、2D投影を迅速に生成するために、ビデオゲームを念頭に置いて構築されている。3Dイメージングでは、投影ではなく、実際の3D形状が必要である。このため、グラフィックカードが3Dプリント用に使用されることになる場合、カスタマイズされた解決策を介してのみ可能である。   Graphics processing is commonly available on most computers, typically in the form of a GPU provided in a separate graphics card. Graphics cards are designed with pipelines that are optimized for graphics processing in a manner that bypasses the computation of individual pixels. However, since graphics cards are designed to provide 2D projection of 3D images, graphics cards are not used directly to generate 3D printing instructions from 3D models. 3D processing on graphics cards is typically built with video games in mind to generate 2D projections quickly. 3D imaging requires actual 3D shapes, not projections. For this reason, if a graphics card is to be used for 3D printing, it is only possible via a customized solution.

本実施形態は、個別ピクセルを計算および規定するのではなく、容積を識別および操作することに基づいて、3Dモデルをプリント命令に変換するプロセスを実行することに関する。そのようなプロセスは、グラフィックカード上で実行されるのに特に好適であり、グラフィックカードでは、スライスを生成するために、投影機能を使用することができ、容積の特定の部分が支持体の部分であるのか、モデル自体の部分であるのか、またはプリントされるべきでないかを決定するために、クリッピングを使用することができる。   This embodiment relates to performing a process of converting a 3D model into print instructions based on identifying and manipulating the volume, rather than calculating and defining individual pixels. Such a process is particularly suitable for being executed on a graphics card, where a projection function can be used to generate a slice, with a specific part of the volume being a part of the support Clipping can be used to determine if it is a part of the model itself or should not be printed.

本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、3Dプリンタにより対応する物体をプリントするために、3次元モデルをスライスするための方法が提供され、スライスすることはZ軸を有する空間内でなされ、Z軸はプリント平面に垂直であり、方法は、
平面多角形の集合として物体の包絡面の表現を獲得するステップであって、各多角形が形状、位置座標、およびそれぞれの多角形に垂直な方向ベクトルにより規定され、前記方向ベクトルが前記物体の外側に向き、それによって前記多角形の内面を前記多角形の外面と区別する、ステップと、
Z軸に沿ったZ0座標により特徴付けられるスライス平面を規定するステップと、
前記スライス平面を、物体内の領域、支持構造に属する領域、および物体の外側にありプリントされるべきでない領域に分割するステップと
を含む。
In accordance with aspects of some embodiments of the present invention, a method is provided for slicing a three-dimensional model for printing a corresponding object by a 3D printer, wherein slicing is performed in a space having a Z axis. The Z axis is perpendicular to the print plane and the method is
Obtaining a representation of an object's envelope as a set of planar polygons, each polygon defined by a shape, position coordinates, and a direction vector perpendicular to each polygon, the direction vector being the object's Facing outwardly, thereby distinguishing the inner surface of the polygon from the outer surface of the polygon;
Defining a slice plane characterized by Z0 coordinates along the Z axis;
Dividing the slice plane into areas within the object, areas belonging to the support structure, and areas outside the object and not to be printed.

一実施形態では、前記スライス内の領域を識別することが、
識別されるべきそれぞれの領域の上に位置決めされる前記包絡面に最も近い多角形を見いだすステップと、
多角形が識別されない場合、対応する領域を非プリント領域としてマーキングするステップと、
多角形上の最も近いものの方向ベクトルがZ方向に正の成分を有するならば、前記対応する領域をモデル領域としてマーキングするステップと、
多角形上の前記最も近いものの方向ベクトルがZ方向に負の成分を有するならば、領域を支持領域としてマーキングするステップと
を含む。
In one embodiment, identifying a region in the slice includes
Finding a polygon closest to the envelope surface positioned over each region to be identified;
If the polygon is not identified, marking the corresponding area as a non-printing area;
Marking the corresponding region as a model region if the direction vector of the closest one on the polygon has a positive component in the Z direction;
Marking a region as a support region if the direction vector of the closest one on the polygon has a negative component in the Z direction.

一実施形態では、表現を獲得するステップは、方位付けするステップをさらに含む。一実施形態は、テクスチャマップを獲得するステップと、前記スライス上にテクスチャの領域をマッピングするステップとをさらに含む。   In one embodiment, obtaining the representation further comprises orienting. One embodiment further includes obtaining a texture map and mapping a region of the texture onto the slice.

一実施形態では、前記テクスチャマップが、色分布を規定するマップ、様々な材料の分布を規定するマップ、および3次元表面テクスチャを規定するマップを含む。   In one embodiment, the texture map includes a map defining a color distribution, a map defining a distribution of various materials, and a map defining a three-dimensional surface texture.

一実施形態では、各領域はマルチボクセル領域であり、方法は、プリントする前に、前記規定されたスライス領域の各領域中にボクセルを規定するステップをさらに含む。   In one embodiment, each region is a multi-voxel region, and the method further includes defining a voxel in each region of the defined slice region before printing.

一実施形態は、物体を層状にプリントするステップをさらに含み、各層が、複数の平面スライスのそれぞれのスライスに対応し、前記各層が、
前記それぞれのスライス内の支持領域としてマーキングされる各領域のボクセルに支持材料を堆積すること、および
前記それぞれのスライス内のモデルピクセルとしてマーキングされる各領域のボクセルにモデル材料を堆積すること
によりプリントされる場合がある。
One embodiment further includes printing the object in layers, wherein each layer corresponds to a respective slice of a plurality of planar slices, each layer comprising:
Printing by depositing support material on voxels in each region marked as support regions in the respective slices, and depositing model material on voxels in each region marked as model pixels in the respective slices May be.

一実施形態では、層をプリントすることは、対応する仮想的なスライシングの直後に続き、その結果、層は、スライスされ、次いで直ちにプリントされる。   In one embodiment, printing a layer immediately follows the corresponding virtual slicing so that the layer is sliced and then printed immediately.

方法は、グラフィックカードまたはグラフィック処理ユニット上で実行することができる。   The method can be performed on a graphics card or a graphics processing unit.

さらなる態様では、本発明は、本明細書に説明されるようにスライスされた、プリントされるべき物体のスライスされた3次元モデルに拡張することができる。   In a further aspect, the present invention can be extended to a sliced three-dimensional model of an object to be printed, sliced as described herein.

本発明のさらに別の態様によれば、3Dプリンタにより対応する物体をプリントするためにスライスされた3次元モデルにテクスチャを追加するための方法が提供され、方法は、
平面多角形の集合として物体の包絡面の表現を獲得するステップと、
包絡面を横切ってモデルをスライスするステップと、
前記モデルのテクスチャマップを獲得するステップと、
前記テクスチャマップを前記スライス上にマッピングして、規定されるテクスチャの領域を生成するステップと
を含む。
According to yet another aspect of the invention, a method is provided for adding texture to a sliced 3D model for printing a corresponding object by a 3D printer, the method comprising:
Obtaining a representation of the envelope surface of the object as a set of planar polygons;
Slicing the model across the envelope surface;
Obtaining a texture map of the model;
Mapping the texture map onto the slice to generate a defined texture region.

本発明のさらなる態様は、本明細書に記載されるような方法を使用して、プリントされ、スライスされ、テクスチャマッピングされるべき物体の、スライスされテクスチャマッピングされた3次元モデルに関する。   A further aspect of the invention relates to a sliced and texture mapped 3D model of an object to be printed, sliced and texture mapped using a method as described herein.

本発明のさらに別の態様は、本明細書に記載されるように生成されるスライスされた3次元モデルからプリントされる、プリントされた3次元物体に関する。   Yet another aspect of the invention relates to a printed three-dimensional object that is printed from a sliced three-dimensional model generated as described herein.

本実施形態のさらに別の態様は、本明細書に記載される方法のうちのいずれかを使用してプリントされるべき物体の3次元モデルをスライスするための、グラフィカルプリンティングユニット(GPU)の使用に関する。   Yet another aspect of this embodiment is the use of a graphical printing unit (GPU) to slice a three-dimensional model of an object to be printed using any of the methods described herein. About.

別段に規定されない限り、本明細書に使用されるすべての技術的および/または科学的用語は、本発明が関係する当業者により一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載されるものと同様または等価な方法および材料を、実際に、または本発明の実施形態の試験で使用することはできるが、例示的な方法および/または材料が下で記載される。矛盾がある場合、規定を含む、特許明細書が優先することになる。加えて、材料、方法、および例は、単に例示であり、必ずしも限定することを意図しない。   Unless defined otherwise, all technical and / or scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention pertains. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in practice or in testing embodiments of the present invention, exemplary methods and / or materials are described below. The In case of conflict, the patent specification, including regulations, will prevail. In addition, the materials, methods, and examples are illustrative only and not intended to be limiting.

本発明の実施形態の方法および/またはシステムの実現は、手動、自動、またはその組合せで選択されたタスクを実施または完了することを含むことができる。さらに、本発明の方法および/またはシステムの実施形態の、実際の器具および装置に従って、いくつかの選択されたタスクは、ハードウェアにより、ソフトウェアにより、ファームウェアにより、またはそれらの組合せによりオペレーティングシステムを使用して実現することができる。   Implementation of the method and / or system of embodiments of the invention can include performing or completing selected tasks manually, automatically, or a combination thereof. Further, according to the actual instrument and apparatus of the method and / or system embodiments of the present invention, some selected tasks use the operating system by hardware, by software, by firmware, or a combination thereof. Can be realized.

たとえば、本発明の実施形態に従って選択されたタスクを実施するためのハードウェアは、チップまたは回路として実現することができる。ソフトウェアとしては、本発明の実施形態に従って選択されたタスクは、任意の好適なオペレーティングシステムを使用してコンピュータにより実行される、複数のソフトウェア命令として実現することができる。本発明の一例示的実施形態では、本明細書に記載されるような方法および/またはシステムの例示的な実施形態に従う1つまたは複数のタスクは、複数の命令を実行するためのコンピューティングプラットフォームなどのデータプロセッサにより実施される。任意選択で、データプロセッサは、命令および/もしくはデータを記憶するための揮発性メモリ、ならびに/または命令および/もしくはデータを記憶するための、たとえば磁気ハードディスクおよび/もしくは取り外し可能媒体といった不揮発性記憶装置を含む。任意選択で、ネットワーク接続が同様に設けられる。ディスプレイおよび/またはキーボードもしくはマウスなどのユーザ入力デバイスが、同様に任意選択で設けられる。   For example, the hardware for performing selected tasks according to embodiments of the present invention can be implemented as a chip or a circuit. As software, tasks selected according to embodiments of the present invention can be implemented as a plurality of software instructions that are executed by a computer using any suitable operating system. In an exemplary embodiment of the invention, one or more tasks according to an exemplary embodiment of a method and / or system as described herein are computing platforms for executing multiple instructions. Implemented by a data processor. Optionally, the data processor comprises a volatile memory for storing instructions and / or data, and / or a non-volatile storage device, such as a magnetic hard disk and / or removable medium, for storing instructions and / or data including. Optionally, a network connection is provided as well. A display and / or a user input device such as a keyboard or mouse is also optionally provided.

本発明のいくつかの実施形態は、本明細書で、添付図面を参照して、単に例として記載される。ここで詳細に図面への具体的な参照をすると、示される細目は、例としてであり、本発明の実施形態の説明に役立つ議論が目的であることが強調される。この点に関し、図面を用いた説明は、本発明の実施形態をどのようにして実施することができるのかについて、当業者に明らかにする。   Some embodiments of the invention are described herein by way of example only with reference to the accompanying drawings. Referring now in detail to the drawings in detail, it is emphasized that the details shown are by way of example and are for the purpose of discussion to help explain embodiments of the invention. In this regard, the description using the drawings will make it clear to those skilled in the art how the embodiments of the present invention can be implemented.

本発明の第1の実施形態に従う、プリントされるべき物体の3Dモデルをスライスするための手順を図示する、簡略化した流れ図である。2 is a simplified flow diagram illustrating a procedure for slicing a 3D model of an object to be printed according to a first embodiment of the present invention. 図1の手順が適用される、3Dモデルの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a 3D model to which the procedure of FIG. 1 is applied. 3Dモデル上にテクスチャをマッピングするための、図1の手順の修正を示す、簡略化した流れ図である。2 is a simplified flow diagram illustrating a modification of the procedure of FIG. 1 for mapping a texture onto a 3D model.

本発明は、そのいくつかの実施形態では、3次元プリンティングのためのスライシングを実行する様態に関し、より詳細には、それだけには限らないが、グラフィックカード上で実行するのに特に適した様態に関する。   The present invention, in some embodiments thereof, relates to an aspect of performing slicing for three-dimensional printing, and more particularly, but not exclusively, to an aspect particularly suitable for execution on a graphics card.

下でより詳細に説明されることになるように、3Dプリンタにより対応する物体をプリントするために、3次元モデルをスライスするための方法が提供され、方法は、この場合、スライス平面内の予め規定された作業域の各領域について、物体の包絡面を多角形として獲得するステップと、それぞれの領域の上に位置決めされる包絡面の最も近い多角形を識別するステップと、多角形が識別されない場合、対応する領域を非プリント領域としてマーキングするステップと、多角形上の前記最も近いものの方向ベクトルがZ方向に正の成分を有する場合、前記対応する領域をモデル領域としてマーキングするステップと、前記多角形の方向ベクトルがZ方向に負の成分を有する場合、前記対応する領域を支持領域としてマーキングするステップと、それに応じてプリントするステップとを含む。上の手順の利点は、スライシングがグラフィックカードまたはGPU上で効率的に実行することができることである。   As will be described in more detail below, a method is provided for slicing a 3D model to print a corresponding object by a 3D printer, which in this case is pre- For each area of the defined work area, acquiring the object's envelope as a polygon, identifying the closest polygon of the envelope positioned above each area, and no polygon is identified Marking the corresponding area as a non-printing area, and marking the corresponding area as a model area if the closest direction vector on the polygon has a positive component in the Z direction; and If the polygon direction vector has a negative component in the Z direction, marking the corresponding region as a support region; Depending on and a step of printing. The advantage of the above procedure is that slicing can be performed efficiently on the graphics card or GPU.

本発明の少なくとも1つの実施形態を詳細に説明する前に、以下の記載に示される、かつ/または、図面および/もしくは例に図示される、構成要素の構成および配置の詳細ならびに/または方法への本発明の応用に、本発明が必ずしも限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、または様々な様態で実施もしくは実行されることが可能である。   Before describing at least one embodiment of the present invention in detail, to the details and / or method of arrangement and arrangement of components shown in the following description and / or illustrated in the drawings and / or examples It should be understood that the present invention is not necessarily limited to the application of the present invention. The invention is capable of other embodiments or of being practiced or carried out in various ways.

ここで図面を参照すると、図1は、本発明の実施形態に従って、物体のプリントの前にモデルのスライスを実現する手順を図示する、簡略化した流れ図である。   Referring now to the drawings, FIG. 1 is a simplified flow diagram illustrating a procedure for realizing slicing of a model prior to printing of an object according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態は、仮想的な視野機能である、グラフィックカードの視錐台(viewing frustum)を使用し、プリントされるべき物体である3D本体を生成して、物体を垂直なセクション(スライス)に分割することができる。本体は、本体面を規定する3D空間中の多角形の組により描写される。   Embodiments of the present invention use a graphics card viewing frustum, which is a virtual field of view function, to generate a 3D body that is the object to be printed and to divide the object into vertical sections (slices). ). The body is described by a set of polygons in 3D space that define the body surface.

本実施形態は、上向きに面している本体である、正の法線z成分を有する表面は、底からの垂直投影中には見られず、本体の内側からのみ見ることができる、という事実を利用することができる。同様に下向きに面している表面は、底から見られ、負の法線z成分を有する。これらの面は、モデルの内部本体を指す方位ベクトルを表面に最初に供給することにより識別することができる。方位ベクトルは、多角形に対して垂直であってよく、z方向に成分を有することができる。   The fact that this embodiment is a body facing upwards, a surface with a positive normal z component is not seen during vertical projection from the bottom, but can only be seen from the inside of the body Can be used. Similarly, the downward facing surface is seen from the bottom and has a negative normal z component. These planes can be identified by first supplying an orientation vector to the surface that points to the internal body of the model. The orientation vector may be perpendicular to the polygon and may have a component in the z direction.

そのような表面を識別するために、法線の正のz成分を有するすべての多角形面は、モデル材料を示す色によってマーキングされ、法線に対し負のz成分を有するすべての多角形面は、支持領域を示す色によってマーキングされる。   To identify such surfaces, all polygonal surfaces with a positive z component of the normal are marked with a color indicating the model material and all polygonal surfaces with a negative z component relative to the normal Are marked with a color indicating the support area.

スライスは、この場合、底から見た垂直投影の結果であってよく、ここで、それぞれに割り当てられた色によりマーキングされたモデルおよび支持区域を含むことができる。   A slice may in this case be the result of a vertical projection seen from the bottom, where it can include a model and a support area marked by the color assigned to each.

下でより詳細に説明されることになるように、ここで、モデル中のスライス中の表面に、または表面の周りに3Dテクスチャを割り当てることができ、テクスチャは、所望の表面3Dテクスチャ、物体面色、存在する場合には様々な物体材料、および支持区域のための構造を提供する。   As will be explained in more detail below, you can now assign a 3D texture to or around the surface in the slice in the model, where the texture is the desired surface 3D texture, object surface color Provide structures for various object materials, if present, and support areas.

特徴は、スライスの領域に割り当てられ、個別ピクセルは、この点では計算されない。   Features are assigned to the area of the slice and individual pixels are not calculated at this point.

結果として、数千スライスを計算する必要があり、従来では数時間かかる典型的なスライス処理が、グラフィックアクセラレータHWを使用してはるかに速く実行され、垂直投影およびクリッピングを使用するスライスを計算することができる。   As a result, the typical slice processing, which would have to calculate thousands of slices and would traditionally take several hours, is performed much faster using the graphics accelerator HW to calculate slices that use vertical projection and clipping Can do.

さらに詳細には、スライシング方法は、グラフィックカードの視錐台を使用して、3D本体の垂直セクション、スライスを生成するステップを含む。後続のスライスが生成されると、必要なスライス解像度に従って、スライサの視点が正のz方向に徐々に動かされる。それに応じて、視錐台が調整される。   More particularly, the slicing method includes generating a vertical section, slice of the 3D body using a frustum of the graphics card. As subsequent slices are generated, the slicer viewpoint is gradually moved in the positive z direction according to the required slice resolution. The viewing frustum is adjusted accordingly.

あらゆるスライスは、こうして、モデルおよび支持区域の一方または両方を含むことができ、区域は、モデル面または近い表面に割り当てられる異なる色またはパターンによりマーキングされる。色またはパターンは、材料、材料の異質な組合せ、すなわち、デジタル材料(DM)または支持構造についてのテクスチャを含む。   Every slice can thus include one or both of the model and the support area, where the area is marked by a different color or pattern assigned to the model surface or a close surface. The color or pattern includes materials, heterogeneous combinations of materials, i.e. digital material (DM) or texture for the support structure.

図1を再び参照して、ボックス100に示されるように、第1のステージでは、オフスクリーン描画のためグラフィックカードへの1つまたは複数の3Dモデルのロード、より正確にはMLoadを行う。モデルは、プリントされるべき物体の表面を記載する多角形の組を使用して、物体を描写する。モデルは、所望の位置および方位に従って位置決めされる。   Referring again to FIG. 1, as shown in box 100, in the first stage, one or more 3D models are loaded onto the graphics card for off-screen rendering, more precisely MLoad. The model describes an object using a set of polygons that describe the surface of the object to be printed. The model is positioned according to the desired position and orientation.

すべての多角形は3D面の部分であり、3D面は内側および外側を有する。ボックス102では、あらゆる多角形の法線が計算される。ボックス104では、法線のz成分は、物体の内側および外側をマーキングするために見いだされる。底において開始して、負符号が付いた法線のz成分を有するすべての多角形面は、支持領域を示す特定の色によりマーキングされ、正の方位である多角形面は、モデル色によりマーキングされる。   Every polygon is part of a 3D surface, which has an inner side and an outer side. In box 102, the normals of any polygon are calculated. In box 104, the z component of the normal is found to mark the inside and outside of the object. Starting at the bottom, all polygon faces with a negative z-normal component are marked with a specific color to indicate the support area, and polygon faces that are positively oriented are marked with the model color Is done.

その後、ボックス106中に示されるように、仮想カメラの位置(視点)が、z=0に設定され、第1のスライスを規定し始める。カメラ位置は、次いで、モデルの最高の高さに到達するまで、各後続のスライスについて増分する。   Thereafter, as shown in box 106, the position (viewpoint) of the virtual camera is set to z = 0 and begins to define the first slice. The camera position is then incremented for each subsequent slice until the highest model height is reached.

次いで、ボックス108中のように、スライスの各々について、上向きに見る仮想カメラがスライスの長さに沿ってスライドされると、スライスの各部分が次の多角形面に上向きに投影される。視野内の第1の多角形面が下向きに面している外面である場合、スライスのその領域は、支持領域としてマーキングされる。表面が下向きに面している内面である場合、領域は、物体自体の部分としてマーキングされる。スライスは実際には2次元の区域であり、そのため、プロセスは、全区域にわたって実行されなければならないことが理解されよう。   Then, as in box 108, for each of the slices, as the upward looking virtual camera is slid along the length of the slice, each portion of the slice is projected upward onto the next polygonal plane. If the first polygonal surface in the field of view is the outer surface facing downward, that region of the slice is marked as a support region. If the surface is an inner surface facing downwards, the region is marked as part of the object itself. It will be appreciated that a slice is actually a two-dimensional area, so the process must be performed over the entire area.

各スライスが完了すると、カメラまたは視点は、z方向にスライス幅だけ上に動かされる-ボックス110。   As each slice is completed, the camera or viewpoint is moved up the slice width in the z-direction—box 110.

グラフィックカードの速い並列計算能力は、スライスが上のように迅速に計算されることを可能にすることができ、上述のように、計算は、個別ピクセルではなくスライスの領域に関する。個別3Dピクセルまたはボクセルは、その後プリントするステップの前に、個別3Dピクセルまたはボクセルが属する領域のプロパティから簡単に計算される。   The fast parallel computing capabilities of the graphics card can allow slices to be calculated as quickly as above, and as described above, the computation is related to the area of the slice, not individual pixels. Individual 3D pixels or voxels are simply calculated from the properties of the region to which the individual 3D pixels or voxels belong prior to the subsequent printing step.

どのようにして上の手順がL字型のモデル品200上で働くことができるのかを図示する概略図である、図2をここで参照する。モデル品は3次元のモデル品であるが、簡単のために2Dとして示されることが理解されよう。モデル品は、垂直セクション202および水平セクション204を有し、表面は、多角形により規定され、各表面に対し内面および外面を有する。   Reference is now made to FIG. 2, which is a schematic diagram illustrating how the above procedure can work on an L-shaped model article 200. It will be understood that the model product is a 3D model product, but is shown as 2D for simplicity. The model article has a vertical section 202 and a horizontal section 204, the surface being defined by a polygon, with an inner surface and an outer surface for each surface.

ここで、スライス206の計算を考える。上向きに見ている仮想カメラが、スライスの長さに沿ってスライドされる。仮想カメラが直立モデル部202内にある限り、仮想カメラが見る第1の面は、上部壁208の内向きに面する側である。したがって、垂直部202内のスライスの領域は、モデル内であるとマーキングされる。   Now consider the calculation of slice 206. A virtual camera looking upwards is slid along the length of the slice. As long as the virtual camera is in the upright model portion 202, the first surface seen by the virtual camera is the inward facing side of the top wall 208. Accordingly, the area of the slice in the vertical portion 202 is marked as being in the model.

仮想カメラが直立部を出て、L型の拡張部の下に動くと、仮想カメラが出会う第1の表面は、下部壁210の下向きに面する外面である。したがって、直立部の外側およびLの拡張部の下の領域は、支持領域としてマーキングされる。   When the virtual camera exits the upright portion and moves under the L-shaped extension, the first surface that the virtual camera meets is the downwardly facing outer surface of the lower wall 210. Thus, the area outside the upright and below the L extension is marked as a support area.

モデル内または204の拡張部の下のいずれでもないが、全くL型の外側であるスライスのそれらの部分では、上向きに見ているカメラが多角形面に出会わず、したがって領域は、非プリント領域としてマーキングされる。   In those parts of the slice that are neither inside the model or under the 204 extension, but entirely outside the L shape, the upward looking camera does not encounter the polygonal plane, so the area is a non-printing area Marked as

本発明の実施形態によれば、グラフィックカードは、こうして、スライスから上向きであるZ方向に見ることにより、3Dの場面をレンダリングし、平行な投影視を形成することができる。各スライスについて、カメラは、スライスのz平面(カメラのz位置)上に設定され、z平面(視界方向)に垂直であるスライス中のベクトルに沿って、底から上向きにスライドする。   According to an embodiment of the present invention, the graphics card can thus render a 3D scene and form a parallel projected view by looking in the Z direction upward from the slice. For each slice, the camera slides upwards from the bottom along a vector in the slice that is set on the z plane of the slice (camera z position) and is perpendicular to the z plane (view direction).

グラフィックカードは、こうして、領域内の個別ピクセルを後で規定する準備ができている、多角形、投影、および多角形選別を使用して、モデルおよび支持領域を自動的に計算することができる。内側を指す法線ベクトルを有するすべての可視多角形面は、モデルに属するものとしてレンダリングおよびマーキングすることができ、外側を指す法線ベクトルを有するすべての可視多角形は、支持構造に属するものとしてレンダリングおよびマーキングすることができる。   The graphics card can thus automatically calculate the model and supporting area using polygons, projections, and polygon sorting, ready to later define individual pixels within the area. All visible polygon faces with normal vectors pointing to the inside can be rendered and marked as belonging to the model, and all visible polygons with normal vectors pointing to the outside belong to the support structure Can be rendered and marked.

ここで一般に、単純に領域をモデルとして、または支持部として、または非プリント部としてマッピングするのは、十分でない。ユーザがプリントする必要がある現実世界の物体は、色、様々な場所における様々な材料、表面パターン、3Dテクスチャなどを必要とする。再びグラフィックプロセッサが答えを提供することができる。テクスチャマッピングユニット(TMU)は、現代のグラフィック処理ユニット(GPU)中の構成要素である。TMUは、所与の3D物体の任意の平面上にテクスチャとして配置されるビットマップを回転およびサイズ変更することが可能である。現代のグラフィックカードでは、TMUは典型的には、グラフィックパイプライン中のディスクリートステージとして実現される。   In general, it is not sufficient to simply map a region as a model, as a support, or as a non-print. Real-world objects that users need to print require color, different materials in different places, surface patterns, 3D textures, and so on. Again the graphics processor can provide the answer. The texture mapping unit (TMU) is a component in a modern graphics processing unit (GPU). A TMU can rotate and resize a bitmap placed as a texture on any plane of a given 3D object. In modern graphics cards, the TMU is typically implemented as a discrete stage in the graphics pipeline.

3Dの場面をレンダリングするため、テクスチャは、多角形メッシュの頂部上にマッピングされる。これは、テクスチャマッピングと呼ばれ、グラフィックカード上のTMUにより達成される。   In order to render a 3D scene, the texture is mapped onto the top of the polygon mesh. This is called texture mapping and is accomplished by a TMU on the graphics card.

テクスチャマップは、形状または多角形の表面に付着、またはマッピングすることができる。付着プロセスは、平坦な白いボックスにパターン付けされた紙を付着させることに近い。たとえば、多角形中のあらゆる頂点は、明示的な割当てを介するかまたは手続き的な規定によるかのいずれかで、テクスチャ座標を割り当てることができる。マルチテクスチャリングは、多角形上に一度に2つ以上のテクスチャを使用することである。   The texture map can be attached or mapped to a shape or polygonal surface. The deposition process is close to depositing patterned paper on a flat white box. For example, every vertex in the polygon can be assigned texture coordinates, either through explicit assignment or by procedural definition. Multitexturing is the use of more than one texture at a time on a polygon.

本発明の実施形態では、上に記載されたようなテクスチャマッピングを使用して、モデル(たとえば、DM)および支持部の、関心の対象部または複雑で複数の材料の構造部を生成し、たとえば支持部をグリッドとして規定することができる。   In embodiments of the present invention, texture mapping as described above is used to generate a target portion of interest or a complex, multi-material structure of a model (e.g., DM) and support, for example, The support can be defined as a grid.

方法は、簡略化した流れ図である図3に図示される。方法は、予め規定された2Dもしくは3Dテクスチャまたは色マップを使用するステップと、モデル形状を規定する、同じ多角形上にそのマッピングを規定するステップとを含む。スライスについて、1つまたは複数のテクスチャマップが獲得される(ボックス300)。色および表面パターン用302、様々な材料用304、および様々な3D深度テクスチャ用306といった、別個のテクスチャマップがあってよい。さらなるテクスチャマップを必要に応じて設計することができ、様々なテクスチャマップを、便宜上1つまたは複数のファイルに組み合わせることができる。ボックス308中で、テクスチャマップ領域は、スライス領域上にマッピングされる。異なるテクスチャを、2つの異なる多角形の側、外側および内側に別個に付着することができ、上のように実行されるレンダリングの後で、出力は、モデルまたは支持構造の色およびテクスチャ表現を含むことができる。   The method is illustrated in FIG. 3, which is a simplified flow diagram. The method includes using a pre-defined 2D or 3D texture or color map and defining the mapping on the same polygon that defines the model shape. For the slice, one or more texture maps are obtained (box 300). There may be separate texture maps, such as 302 for colors and surface patterns, 304 for various materials, and 306 for various 3D depth textures. Additional texture maps can be designed as needed, and the various texture maps can be combined into one or more files for convenience. In box 308, the texture map region is mapped onto the slice region. Different textures can be attached separately to the sides, outside and inside of two different polygons, and after rendering performed as above, the output includes the color and texture representation of the model or support structure be able to.

グラフィックプロセッサは、様々な材料を表す直接の様態を有さない。しかし、グラフィックプロセッサは、色を表すことが非常に得意であり、したがって、色が、生成されるスライス中にプリントされるべき様々なボクセルの様々な材料を表すことができる。こうして、マルチテクスチャリングを使用して、材料タイプを意味する色を、物体上に現れることが意図される色と組み合わせることができる。   Graphic processors do not have a direct way of representing various materials. However, graphic processors are very good at representing colors, and thus colors can represent different materials in different voxels to be printed in the generated slice. In this way, multitexturing can be used to combine colors that refer to material types with colors that are intended to appear on objects.

3Dテクスチャは、深さを有する構造を生成するためにさらに使用することができる。深さは、表面から計算されるので、グラフィックプロセッサは、モデルの深さへの投影プロセスの部分として、コーティングされる、または複数コーティングされる層構造、および表面平面に垂直な方向への勾配構造を簡単に生成することができる。たとえば、特定の物体は、表面における硬い外殻および軟らかい充填材料を必要とする場合があり、または表面における防水加工を必要とする場合がある。テクスチャマップは、グラフィックプロセッサがスライス中の領域に関連する情報を適用することを可能にする様態である。   The 3D texture can further be used to generate structures with depth. Since the depth is calculated from the surface, the graphics processor can be coated or layered as part of the projection process to the model depth, and the gradient structure in the direction perpendicular to the surface plane. Can be generated easily. For example, certain objects may require a hard shell and soft filler material on the surface, or may require waterproofing on the surface. A texture map is a way to allow a graphics processor to apply information related to the region in the slice.

この出願から特許が満期になる有効期間に、多くの関連するインクジェットおよび他のプリント技術が発展することが期待されるが、「プリンティング」という用語の範囲は、事前に、すべてのそのような新規技術を含むことが意図される。   While many related inkjet and other printing technologies are expected to develop during the validity period of the patent from this application, the term “printing” is pre- It is intended to include technology.

「備える(comprises)」、「備えている(comprising)」、「含む(includes)」、「含んでいる(including)」、「有している(having)」という用語およびそれらの語形変化は、「含むが限定しないこと(including but not limited to)」を意味する。   The terms `` comprises '', `` comprising '', `` includes '', `` including '', `` having '' and their inflections are: It means "including but not limited to".

「からなる(consisting of)」という用語は、「含んでおり、限定されること(including and limited to)」を意味する。   The term “consisting of” means “including and limited to”.

本明細書で使用する、単数形の「a」、「an」、および「the」は、文脈が明らかにそうでないと定める場合を除き、複数形への言及を含む。   As used herein, the singular forms “a”, “an”, and “the” include references to the plural unless the context clearly dictates otherwise.

分かりやすくするために、別個の実施形態の文脈で記載される本発明の特定の特徴は、単一の実施形態中に組み合わせて提供することもでき、上の記載は、この組合せが明示されているものとして解釈されるべきであることが理解されよう。反対に、簡潔のために単一の実施形態の文脈中に記載される本発明の様々な特徴は、別個に、または任意の好適な部分的な組合せで、または本発明の任意の他の記載された実施形態で好適なように提供することもでき、上の記載は、これらの別個の実施形態が明示的に書かれた場合と同様に解釈されるべきである。様々な実施形態の文脈中に記載された特定の特徴は、実施形態がそれらの要素なしでは動作不可能でない限り、それらの実施形態の本質的な特徴と考えるべきでない。   For clarity, certain features of the invention described in the context of separate embodiments can also be provided in combination in a single embodiment, and the above description clearly illustrates this combination. It should be understood that it should be interpreted as being. On the contrary, the various features of the invention described in the context of a single embodiment for the sake of brevity are separately or in any suitable subcombination or any other description of the invention. May be provided as preferred in the described embodiments, and the above description should be construed as if these separate embodiments were explicitly written. Certain features described in the context of various embodiments should not be considered essential features of those embodiments, unless the embodiment is inoperable without those elements.

本発明は、その特定の実施形態と組み合わせて記載されてきたが、多くの代替形態、修正形態、および変形形態が当業者には明らかとなることは明白である。したがって、添付の請求項の思想および広い範囲内に入る、すべてのそのような代替形態、修正形態、および変形形態を包含することが意図される。   While the invention has been described in conjunction with specific embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, it is intended to embrace all such alternatives, modifications and variations that fall within the spirit and broad scope of the appended claims.

この明細書中に言及されるすべての出版物、特許、および特許出願は、各個別の出版物、特許、または特許出願が参照により本明細書に組み込まれると具体的および個別に示された場合と同程度に、明細書中へ参照によりそれらの全体が本明細書において組み込まれる。加えて、この出願中の任意の参照の引用および識別情報は、そのような参照が本発明に対する従来技術として利用可能であると認めると解釈されるべきでない。セクション見出しが使用されるほどまでに、それらは必ずしも限定的であると解釈するべきでない。   All publications, patents, and patent applications mentioned in this specification are specifically and individually indicated when each individual publication, patent, or patent application is incorporated herein by reference. To the same extent, are hereby incorporated by reference in their entirety. In addition, citation and identification information of any reference in this application should not be construed as an admission that such reference is available as prior art to the present invention. To the extent that section headings are used, they should not necessarily be construed as limiting.

200 L字型のモデル品
202 垂直セクション、垂直部
204 水平セクション
206 スライス
208 上部壁
210 下部壁
200 L-shaped model
202 Vertical section, vertical section
204 Horizontal section
206 slices
208 Upper wall
210 Bottom wall

Claims (14)

3Dプリンタにより対応する物体をプリントするために、3次元モデルをスライスするための方法であって、前記スライスすることがZ軸を有する空間内でなされ、前記Z軸がプリント平面に垂直であり、前記方法が、
平面多角形の集合として物体の包絡面の表現を獲得するステップであって、各多角形が形状、位置座標、およびそれぞれの多角形に垂直な方向ベクトルにより規定され、前記方向ベクトルが前記物体の外側に向き、それによって前記多角形の内面を前記多角形の外面と区別する、ステップと、
前記Z軸に沿ったZ0座標により特徴付けられるスライス平面を規定するステップと、
前記スライス平面を、前記物体内の領域、支持構造に属する領域、および前記物体の外側にありプリントされない領域に分割するステップと
を含む、方法。
A method for slicing a three-dimensional model to print a corresponding object by a 3D printer, wherein the slicing is done in a space having a Z axis, the Z axis being perpendicular to the print plane, The method comprises
Obtaining a representation of an object's envelope as a set of planar polygons, each polygon defined by a shape, position coordinates, and a direction vector perpendicular to each polygon, the direction vector being the object's Facing outwardly, thereby distinguishing the inner surface of the polygon from the outer surface of the polygon;
Defining a slice plane characterized by Z0 coordinates along the Z axis;
Dividing the slice plane into regions within the object, regions belonging to a support structure, and regions that are outside the object and are not printed.
前記スライス内の領域を識別することが、
識別されるべきそれぞれの領域の上に位置決めされる前記包絡面の最も近い多角形を見いだすステップと、
多角形が識別されない場合、対応する領域を非プリント領域としてマーキングするステップと、
多角形上の最も近いものの方向ベクトルがZ方向に正の成分を有するならば、前記対応する領域をモデル領域としてマーキングするステップと、
多角形上の前記最も近いものの方向ベクトルがZ方向に負の成分を有するならば、前記領域を支持領域としてマーキングするステップと
を含む、請求項1に記載の方法。
Identifying an area within the slice;
Finding the closest polygon of the envelope located above each region to be identified;
If the polygon is not identified, marking the corresponding area as a non-printing area;
Marking the corresponding region as a model region if the direction vector of the closest one on the polygon has a positive component in the Z direction;
And marking the region as a support region if the direction vector of the closest one on the polygon has a negative component in the Z direction.
表現を獲得する前記ステップが、方位付けするステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein obtaining the representation further comprises orienting. テクスチャマップを獲得するステップと、前記スライス上にテクスチャの領域をマッピングするステップとをさらに含む、請求項1、2、および3のいずれか一項に記載の方法。   4. The method according to any one of claims 1, 2, and 3, further comprising obtaining a texture map and mapping a region of a texture on the slice. 前記テクスチャマップが、色分布を規定するマップ、様々な材料の分布を規定するマップ、および3次元表面テクスチャを規定するマップを含む、請求項4に記載の方法。   5. The method of claim 4, wherein the texture map includes a map defining a color distribution, a map defining a distribution of various materials, and a map defining a three-dimensional surface texture. 各領域がマルチボクセル領域であり、前記方法が、プリントする前に、前記規定されたスライス領域の各領域中にボクセルを規定するステップをさらに含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。   6. Each region is a multi-voxel region, and the method further comprises defining a voxel in each region of the defined slice region before printing. the method of. 前記物体を層状にプリントするステップをさらに含み、各層が、複数の平面スライスのそれぞれのスライスに対応し、前記各層が、
前記それぞれのスライス内の支持領域としてマーキングされる各領域のボクセルに支持材料を堆積すること、および
前記それぞれのスライス内のモデルピクセルとしてマーキングされる各領域のボクセルにモデル材料を堆積すること
によりプリントされる、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
Printing the object in layers, each layer corresponding to a respective slice of a plurality of planar slices, each layer comprising:
Printing by depositing support material on voxels in each region marked as a support region in the respective slice, and depositing model material on voxels in each region marked as a model pixel in the respective slice 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein:
層をプリントすることが、対応する仮想的なスライシングの直後に続く、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。   8. A method according to any one of the preceding claims, wherein printing a layer follows immediately after the corresponding virtual slicing. グラフィックカードまたはグラフィック処理ユニット上で実行される、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。   9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the method is executed on a graphics card or a graphics processing unit. 請求項1から9のいずれか一項に記載の方法を使用してスライスされた、プリントされるべき物体のスライスされた3次元モデル。   A sliced three-dimensional model of an object to be printed, sliced using the method according to any one of the preceding claims. 3Dプリンタにより対応する物体をプリントするために、スライスされた3次元モデルにテクスチャを追加するための方法であって、
平面多角形の集合として物体の包絡面の表現を獲得するステップと、
前記包絡面を横切ってモデルをスライスするステップと、
前記モデルのテクスチャマップを獲得するステップと、
前記テクスチャマップを前記スライス上にマッピングして、規定されるテクスチャの領域を生成するステップと
を含む、方法。
A method for adding texture to a sliced 3D model to print a corresponding object with a 3D printer,
Obtaining a representation of the envelope surface of the object as a set of planar polygons;
Slicing a model across the envelope surface;
Obtaining a texture map of the model;
Mapping the texture map onto the slice to generate a defined texture region.
請求項1から8のいずれか一項に記載の方法を使用して、プリントされ、スライスされ、テクスチャマッピングされるべき物体の、スライスされテクスチャマッピングされた3次元モデル。   A sliced and texture mapped three-dimensional model of an object to be printed, sliced and texture mapped using the method according to any one of claims 1-8. 請求項1から8のいずれか一項に従って生成されるスライスされた3次元モデルからプリントされた、プリントされた3次元物体。   A printed three-dimensional object printed from a sliced three-dimensional model generated according to any one of claims 1-8. 請求項1から8のいずれか一項に従って、プリントされるべき物体の3次元モデルをスライスするための、グラフィカルプリンティングユニット(GPU)の使用。   Use of a graphical printing unit (GPU) for slicing a three-dimensional model of an object to be printed according to any one of claims 1-8.
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